Правильное отключение источников питания

Можно приспособить самые обычные микропроцессоры, стабилизаторы и другие энергопотребляющие компоненты для маломощного использования, если режим работы прибора допускает выключение его питания (или перевод схемы в состояние потребления малого опорного тока). Большую же часть времени или только время от времени прибор работает при полном токе. Например, регистратор океанографических данных должен производить 10-секундный залп наблюдений (температура, давление, соленость, океанские течения) единожды в каждый час за шестимесячный период. Только часы реального времени должны функционировать постоянно, при этом схемы согласования уровней аналоговых сигналов, микропроцессоры и средства записи данных выключены, кроме режима реальной регистрации данных.

Даже если воспользоваться техническими приемами маломощного проектирования, может быть придется использовать некоторые сильноточные приборы. Например, если требуется задействовать высокоскоростные преобразователи или сильноточные исполнительные механизмы. Может потребоваться ввести в схему некоторые специализированные цифровые схемы на БИС, операционные усилители, фильтры или другие схемы, которых просто не существует в маломощном исполнении. Во всех этих случаях необходимо отключать источник питания от сильноточной части самой схемы, кроме того времени, когда она должна функционировать.

Такое «выключение источника питания» может представлять собой наиболее простую форму маломощного проектирования, поскольку традиционные технические приемы проектирования на обычных элементах можно использовать повсюду. Но необходимо быть уверенным, что схема «проснется» элегантно. Линейная схема должна быть спроектирована таким образом, чтобы исключались затруднительные кратковременные состояния. Например, переход выходных цепей в режим насыщения. Полностью выключенная микропроцессорная схема обычно потребовала бы выполнения процедуры «холодной загрузки». Естественно, сама схема должна быть спроектирована так, чтобы и выключение ее проводилось аккуратным способом.

Существует несколько приемов проведения такого выключения питания:

1. Если отключаемые элементы потребляют ток меньше чем 5 мА или около того, вы можете питать их непосредственно с выходов логических КМОП-схем.

Серии НС/НСТ могут обеспечивать ток питания 5 мА, при этом падение напряжения составит только 0,5 В относительно положительного напряжения питания. Для формирования более высоких токов можно включать несколько выходов параллельно. АС/ACT серии КМОП хороши при токах до 24 мА.

2.Используйте мощный транзистор, функционирующий как ключ с насыщением (а не повторитель), с целью минимизации прямого падения напряжения (следовательно, транзистор р-n-р-типа в случае использования источника питания с положительным напряжением).

Необходимое возбуждение на базе, выбираемое умеренно большим для обеспечения гарантированного насыщения, хотя и является недостатком, однако же будет, вероятно, меньшим злом, чем сам ток, потребляемый коммутируемой схемой.

3. Используйте мощный полевой МОП- транзистор.

Как и в случае биполярных транзисторов, он используется в качестве ключа, а не повторителя. При положительном напряжении питания это транзистор с p-каналом. Полевыми МОП-транзисторами легко управлять и в любом состоянии у них отсутствует ток затвора.

4. Большинство маломощных стабилизаторов имеют вход «выключения».

Этот опорный режим характеризуется очень низким током покоя. Можно провести включение источника питания, переведя такой стабилизатор в активное состояние.

5. Используйте механическое реле, возможно, реле с механической фиксацией воздействия.

Сейчас имеется много их разновидностей, как в DIP-корпусах, так и в крошечных металлических корпусах. Все они обеспечивают нулевое падение напряжения, высокую нагрузочную способность и возможность коммутировать двухполярные (или даже переменные) напряжения. Кроме того, для реле с механической фиксацией воздействия не требуется тока удержания. Для повышения надежности схемы используйте диод защиты управляющей цепи реле от индуктивных выбросов.

Ограничение пускового тока

Вследствие двух причин всегда важно ограничить пусковой ток в схеме с выключаемым источником питания. Высокие пиковые токи, которые могут возникать в нагрузке (зашунтированной конденсатором) при переключении батареи (зашунтированной аналогичным образом), могут вывести из строя сам ключ.

Это верно даже и для небольших механических реле, контакты которого, вероятно, в большинстве случаев окажутся сваренными. Кроме того, мгновенное падение напряжения батареи в течение переходного процесса из-за переключения большого тока может привести к тому, что в энергозависимой памяти и других схемах, которые находятся в режиме резервирования, произойдет потеря информации.

Некоторые подходы к решению этой проблемы показаны на рисунках:

На то время, пока сам ключ подвержен влиянию переходного процесса, включается выполненная на диоде развязка отрицательного провала в напряжении питания от стабилизаторов поддержки, как это сделано в варианте 1.

С другой стороны, можно провести выключение перед стабилизатором с ограничением тока (сохраняя малое значение емкости его входного шунтирующего конденсатора), как в варианте 2 или установить сам ключ после стабилизатора (вариант 3).

Третий способ не совсем хорош вследствие ухудшения электрической жесткости источника питания, вызванного сопротивлением ключа R_вкл. Другой способ заключается в использовании предварительного ограничения тока, т. е. до выключения (вариант 4), в этом случае при ограничении тока на уровне 150 мА предотвращается резкий спад напряжения U_бат.

Некоторые варианты микромощных стабилизаторов

Раньше было трудно найти интегральный стабилизатор напряжения, который бы при токах покоя микроамперного диапазона обеспечивал существенные выходные токи. Была альтернатива:
а) стабилизатор 7663/4 фирмы Intersil,
б) строить свой собственный!

Ситуация улучшается. Существуют также:

*ICL7663/4, МАX663/4/6***. Это — многополюсные стабилизаторы на положительное и отрицательное напряжения с рабочим диапазоном напряжений 1,5-16 В и максимальным током покоя 10 мкА. Неприятная их особенность — это то, что они медленно действующие (вследствие «заморенного» сервоусилителя и использования множества шунтирующих емкостей) и хороши только при токах в нагрузке порядка нескольких миллиампер. Будучи КМОП-приборами, они плохо действуют при более высоком входном напряжении. Например, при входном напряжении + 9 В их выходное полное сопротивление составляет, как правило, 70 Ом.

LP2950/1. Это стабилизаторы положительного напряжения, которые выпускаются в 3-контактном корпусе на напряжение + 5В (2950) и в 8-контактном корпусе с регулируемым напряжением (2951). Ток покоя составляет 80 мкА (при отсутствии тока в нагрузке) и возрастает до 80 мА — при токе нагрузки 100 мА. В этих стабилизаторах используются проходные р-n—p-транзисторы, которые обеспечивают низкий перепад напряжения (80 мВ макс, при токе 100 мкА; 450 мВ макс, при токе 100 мА).

Стабилизаторы спроектированы таким образом, что ток покоя не повышается стремительно, когда входное напряжение опускается ниже этого перепада напряжения (общая болезнь стабилизаторов на крутизне биполярного транзистора). Эта последняя их особенность, в частности, полезна для питаемых от батареи приборов, которые могут продолжать функционировать и при низком напряжении батареи. В стабилизаторе 2951 имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения.

LT1020. Это- многополюсной стабилизатор положительного напряжения с током покоя 40 мкА, диапазоном выходного напряжения 2,5-35 В и максимальным током 125 мА. Проходной транзистор р-n-р-типа дает низкий перепад напряжения (20 мВ тип. при 100 мкА; 500 мВ тип. при 125 мА). Имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения.

7L580C. Это — сдвоенный микромощный импульсный стабилизатор с диапазоном выходного напряжения 2,5-24 В и током покоя 140 мкА. Как и все импульсные стабилизаторы, он обладает высоким КПД (вплоть до 80%) во всем диапазоне напряжений батарей. Также имеет возможностью формирования выходных напряжений, превышающих само нестабилизированное входное напряжение.

Серия МАХ630. Это — микромощные импульсные стабилизаторы с прекрасными возможностями по выбору параметров. Стабилизатор МАХ630 представляет собой регулируемый (от 2 до 18 В) повышающий стабилизатор положительного напряжения (т. е. U_вых > U_вх). ИС МАХ634 является инвертирующим импульсным стабилизатором (т. е. положительное входное напряжение и отрицательное выходное напряжение).

Стабилизаторы МАХ631-3 — это повышающие импульсные стабилизаторы на фиксированное положительное напряжение (5, 12 и 15 В), при этом стабилизаторы МАХ635-7 его инвертирующие эквиваленты. Стабилизатор МАХ638 представляет собой регулируемый понижающий импульсный стабилизатор на положительное напряжение (U_вых<U_вх). Все они способны обеспечивать выходные токи в несколько сотен миллиампер, токи покоя приблизительно 100 мкА и КПД приблизительно 80%.

Серия МАХ644. Эти микромощные импульсные стабилизаторы спроектированы для формирования выходного напряжения + 5 В при питании от одно- или двухэлементной батареи. Его умные конструкторы используют как состоящий из двух частей импульсный повышающий преобразователь: одна секция функционирует непрерывно, обеспечивая выходное напряжение + 5 В с малым значением тока (0,5 мА).

Он также вырабатывает постоянное напряжение + 12 В, необходимое для переключения полевого МОП-транзистора, используемого для формирования выходного напряжения + 5 В, но с высоким значением тока (вплоть до 50 мА). В опорном режиме (только низкий уровень выходного тока) ток покоя составляет 80 мкА. Сам стабилизатор МАХ644 спроектирован для работы при номинальном входном напряжении 1,5 В и функционирует при падении входных напряжений до 0,9 В.

Кроме того, существуют особые «маломощные» стабилизаторы (78L05, LM330, LM317L, LM2930/1), которые характеризуются токами покоя в несколько миллиампер. Они полезны для приборов с внешними источниками питания, такими, как, например, солнечные элементы или на токе удержания телефонной линии (см. «Источники питания. Некоторые варианты.»). Также нельзя не указать на возможность использования микромощного источника эталонного напряжения, а не стабилизатора, если его напряжения вполне устраивают. Например, микросхема REF-43 фирмы PMI представляет собой трехконтактный источник эталонного напряжения 2,5 В с током покоя 250 мкА и прекрасными характеристиками.

В таблице 1 приведены характеристики большинства из имеющихся микромощных стабилизаторов.

А) – I_{н (мин)}, Б) — для Uвх=9В, В) – без нагрузки, Г) – во всем температурном диапазоне

Источники питания на отрицательное напряжение

За исключением стабилизаторов ICL7664/MAX664, все остальные линейные микромощные стабилизаторы рассчитаны только на напряжения положительной полярности (хотя стабилизатор LT1020 можно использовать для создания биполярного источника питания).
Если же необходимы источники отрицательного напряжения, то существует (кроме хилого 7664) несколько возможностей, а именно:

а) кристалл конвертера напряжения с «летающим конденсатором» типа 7662;

б) дискретная реализация конвертера напряжения с летающим конденсатором, где используются комплементарные мощные МОП-транзисторы;

в) конвертер напряжения, использующий кристалл КМОП-генератора типа 7555 (это КМОП 555) или выходной сигнал любого КМОП логического вентиля, на который подается прямоугольное колебание;

г) импульсный источник питания, с индуктивным хранением энергии или
д) использование единственного источника положительного напряжения, где с помощью операционного усилителя формируется опорное напряжение шины взвешенной земли между шиной земли и самим положительным напряжением питания.

Давайте рассмотрим их по очереди:

Интегральная схема 7662 (и ее предшественник 7660) представляет собой КМОП-схему. В ее состав входят генератор и КМОП-ключи

и с помощью нескольких внешних конденсаторов можно сформировать напряжения либо -U_пит, либо +2U_пит при питании от положительного напряжения U_пит. Подобно большинству КМОП-приборов, она имеет ограниченный диапазон напряжений питания.

Для схемы 7662 напряжение U_пит может лежать только в диапазоне от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10В — схема 7660). Ее выходной сигнал нестабилизированный и он значительно падает при токах нагрузки больше чем несколько миллиампер. Несмотря на эти недостатки, она может быть очень полезной в специальных условиях, например для организации на плате местного питания формирователей сигналов стыка RS-232C, которые в этом случае работают на единственном источнике питания + 5 В.

Схемы МАХ680 и LT1026 представляют собой биполярные источники питания, которые формируют напряжения + 10 В (вплоть до 10 мА) из напряжения + 5 В

Существует также комбинация из конвертера напряжения и формирователей/приемников сигналов стыка RS-232, выполненная в виде единственной интегральной схемы, а именно серии LT1080 и МАХ-239. Если для прикладной задачи требуется стык RS-232, то можно использовать для питания аналоговых электронных приборов источник биполярных напряжений, формируемый одним из этих интегральных формирователей стыка RS-232.

Для формирования большего отрицательного напряжения можно применить дискретные МОП-транзисторы в схеме с летающим конденсатором

Этот частный пример характеризуется током холостого хода в несколько микроампер и максимальным током вплоть до 30 мА.

На следующем рисунке показан более простой метод, снова отчасти ограниченный по диапазону напряжений, основанный на использовании КМОП-кристалла таймера 7555.

Можно питать схему 7555 от источника положительного напряжения в диапазоне от 2 до 18 В, таким образом формируя напряжения вплоть до — 15 В или около того. С помощью умножителя напряжения можно, конечно, формировать и более высокие напряжения с соответственно худшей стабилизацией. Если в схеме имеется несколько логических КМОП-схем, то можно использовать выходной сигнал КМОП-вентиля, а не схему 7555. Однако если используются высококачественные семейства КМОП-схем, такие, как НС/НСТ или АС/АСТ, то существуют ограничения в размахе логического сигнала напряжением 5 В, в то время как более старые схемы серий 4000 или 74С допускают размах напряжений 15 В, хотя и при меньших токах.

С помощью индуктивного накопления энергии, можно построить импульсные источники питания, у которых выходное напряжение больше входного или гораздо меньше, или даже может быть отрицательным, при этом обеспечивается КПД в 75% или около того независимо от входного напряжения. Это очевидно полезно при проектировании микромощных устройств, где само нестабилизированное постоянное напряжение может сниматься с батарей, напряжение которых падает по мере их использования.

Микромощные импульсные источники питания могут быть спроектированы таким образом, что они сохраняют высокий КПД даже при снятой нагрузке (в отличие от обычных импульсных источников с высокими значениями тока). При этом используется цепь, которая перекрывает генератор до тех пор, пока выходное напряжение не упадет, в этой точке он вырабатывает единственный заряжающий импульс, затем засыпает снова.

На рисунке изображен источник питания с напряжением + 5 В, сконструированный на маломощной интегральной схеме МАХ631.

Отдельный источник отрицательного напряжения может и не потребоваться, даже если используются операционные усилители с биполярным размахом выходного сигнала и др. Например, можно сформировать опорное напряжение земли + 4,5 В (используя резистивный делитель и микромощный повторитель на ОУ) для схемы, построенной на операционных усилителях при питании ее от единственной батареи 9 В. Рассмотрим этот метод более подробно.

Опорное напряжение земли

Для питания большинства из схем на операционных усилителях обычно используются источники с симметричным напряжением 15 В, что связано с гибкостью обработки сигналов, близких к потенциалу земли. Однако, можно использовать только единственный источник питания, формируя некоторое опорное напряжение, которое подается вместо потенциала земли обычных биполярных источников питания схем на ОУ. Если же в качестве источника питания используется батарея, то появляется дополнительный стимул упрощения ситуации, когда предпочтительнее использовать единственную батарею с напряжением 9 В.

Наиболее легкий способ формирования аналоговой «общей» шины состоит в том, чтобы расщепить напряжение батареи с помощью резистивного делителя напряжения, а затем использовать микромощный повторитель на ОУ, который обеспечит низкое полное сопротивление этой общей шины. Для внешнего мира эта общая шина представляет собой «землю» с плавающими обоими концами самой батареи:

Для поясняющей эту идею схемы рассмотрим программируемый КМОП операционный усилитель 3440, работающий при токе покоя 5 мкА. Необычно большие номиналы резисторов в делителе дают малый вклад в ток потребления, емкостное шунтирование делителя позволяет поддерживать низкое значение полного сопротивления в средней точке, которая в противном случае была бы чувствительна к фону переменного тока и перекрестным помехам из-за частотной интерференции других сигналов.

Схема 3440 — это хороший выбор для этой прикладной задачи, поскольку позволяет формировать значительные втекающие и вытекающие токи (вплоть до нескольких миллиампер), даже когда ее смещение составляет 1 мкА.

Это свойство присуще не всем программируемым ОУ. Многие имеют плохие характеристики по вытекающему току, когда они функционируют на микромощных уровнях. Например, интегральная схема LM346, функционирующая при токе 5 мкА, может выдавать ток только 0,1 мА, хотя втекающий ток может достигать 20 мА.

Следует отметить, что само опорное напряжение не обязательно должно составлять половину напряжения батареи. Может быть лучше расщепить напряжение питания несимметрично, с тем, чтобы обеспечивался максимальный размах выходного сигнала. В некоторых ситуациях может быть предпочтительнее сместить его на фиксированное значение от напряжения питания, возможно с помощью прецизионного микромощного источника эталонного напряжения. Тогда само напряжение питания относительно опорного напряжения общей шины будет стабилизированным.

Выходное полное сопротивление

Существует несколько ситуаций, в которых даже не требуется устанавливать ОУ для формирования опорного напряжения земли. Например, если это опорное напряжение подается только на входы ОУ (которые были бы подключены к шине земли в обычной конфигурации с биполярным источником питания), то в этом случае шунтированный высокоомный резистивный делитель, обеспечивающий низкое полное сопротивление в частотном диапазоне сигнала, обычно будет вполне удовлетворительным решением.

Однако, как правило, источник, формирующий потенциал шины земли, должен характеризоваться низким полным сопротивлением, как на постоянном токе, так и на частотах сигнала. Например, некоторые ИС могут использовать общую шину в качестве источника отрицательного напряжения питания. Она может использоваться как общая точка подключения фильтров нижних частот, цепей смещения, нагрузок и др.

Если взглянуть на любую нормальную схему с биполярным источником питания, то можно найти постоянные и сигнальные токи как втекающие в шину земли, так и вытекающие из нее. Как и в приведенном выше примере, надо быть уверенным в том, что ОУ, который выбран для формирования опорного напряжения земли, обладает надлежащими характеристиками по формированию втекающего и вытекающего тока, как того требует сама схема.

Для микромощных операционных усилителей характерно высокое выходное полное сопротивление при разомкнутой петле обратной связи

Так что на высоких частотах (где отсутствует значительное петлевое усиление) полное сопротивление шины земли может возрастать до нескольких тысяч Ом. Очевидное средство избавиться от этого — шунтирование опорного напряжения земли.

Но это, вероятно, вызовет переходные процессы в виде «звона» или даже генерацию из-за запаздывающего фазового сдвига цепи, состоящей из самого шунтирующего конденсатора в сочетании с относительно высоким выходным полным сопротивлением операционного усилителя, которое входит в петлю обратной связи.

На следующем рисунке показано еще одно средство, а именно развязывающий резистор в несколько сотен ом, который, однако, приводит к увеличению сопротивления на постоянном токе, поскольку он не входит в петлю обратной связи.

Добавив еще два элемента можно обеспечить обратную связь по постоянному току (через сопротивление R2) и в то же самое время стабильность.

Какой бы из методов вы не выбрали, для уверенности проведите испытания при различных условиях по нагрузке, т. е. для установившегося и переходного режима. Хороший способ испытания поведения в переходном режиме — это наблюдение формы напряжения при прикладывании нагрузки, величина которой изменяется низкочастотным «прямоугольным» образом.

Некоторые ОУ (например, НА2725 и МС3476) могут выдавать сигнал непосредственно в большую емкостную нагрузку без проблем по стабильности. По-видимому, в этих случаях сам внешний конденсатор отображается на внутренний корректирующий конденсатор, опрокидывая доминирующий полюс в компенсации по типу «грубой силы». Однако во многих случаях более желательно свернуть пару соседних запаздывающих фазовых сдвигов, которые влекут за собой неприятности.

Следует отметить, что при выборе номинала шунтирующего конденсатора нужно учитывать некоторые тонкие моменты. Для наведенных всплесков фиксированной инжекции заряда в узел опорного напряжения земли (т. е. фиксированное произведение ампер-секунда) большему номиналу шунтирующего конденсатора будет соответствовать переходной шумовой процесс в шине земли меньшего уровня, но с большим временем восстановления, чем при небольшом конденсаторе (см. рисунок ниже).

Для низкоскоростной схемы с высоким коэффициентом передачи такое медленное экспоненциальное восстановление может быть хуже, чем появление в выходном сигнале безвредных маленьких пиков.
При проектировании схем формирования опорного напряжения земли нельзя не рассмотреть выходы источников эталонного напряжения, которые иногда присутствуют в других интегральных схемах.

Например, таймер LM332 вырабатывает стабильный выходной сигнал напряжением 3,15 В. Другие кристаллы, которые имеют внешние контакты для подключения к источникам внутреннего эталонного напряжения. Это аналого-цифровые преобразователи, преобразователи напряжение-частота (например, схема 331 со своим эталонным напряжением 1,89 В) и кристаллы, подобные LM10, которые имеют источник эталонного напряжения 200 мВ, усилитель и к тому же неизрасходованный ОУ. Далее на рисунках показаны некоторые схемы буферных источников эталонного напряжения.